Nghiên cứu đánh giá động lực học nâng của tàu đệm khí sử dụng váy khí dạng phân đoạn

Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ, tập 20, số K5-2017 
23 
 
Tóm tắt—Tàu đệm khí là phương tiện chuyển 
động trên gối khí, có thể di chuyển trên cạn và 
dưới nước để vận chuyển con người, hàng hóa, 
trang bị kỹ thuật. Yêu cầu quan trọng đối với 
các tàu đệm khí (Air Cushion Vehicle – ACV) 
là: nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ làm việc, giảm 
chi phí vận hành, tính ổn định và khả năng cơ 
động cao. Bài báo này xây dựng mô hình lý 
thuyết nghiên cứu động lực học nâng của tàu 
đệm khí sử dụng váy khí dạng phân đoạn. 
Trong mô hình này, phương trình Bernoulli đối 
với dòng không nén và định luật hai Newton 
được sử dụng để mô tả động lực học nâng của 
tàu đệm khí. Trên cơ sở mô hình xây dựng, các 
thông số động lực học nâng của tàu đệm khí 
“Hovertrek 6100L” được khảo sát. 
Từ khoá—Tàu đệm khí, động lực học nâng, gối 
khí, váy khí dạng phân đoạn 
1 GIỚI THIỆU 
àu đệm khí (Air Cushion Vehicle – ACV) là 
phương tiện chuyển động trên gối khí, có thể 
di chuyển trên cạn và dưới nước để vận chuyển con 
người, hàng hóa, trang bị kỹ thuật. Sau gần 300 
năm phát triển, ngày nay ACV đã phát triển mạnh 
mẽ và được sử dụng rộng rãi tại nhiều nước trên thế 
giới phục vụ các mục đích thương mại, du lịch, 
quân sự Đi đầu trong lĩnh vực này là các nước 
Mỹ, Anh, Nga, Trung Quốc, Canada 
 Hiện nay yêu cầu quan trọng đối với các ACV là: 
nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ làm việc, giảm chi 
phí vận hành, tính ổn định và khả năng cơ động 
cao. Để đảm bảo các yêu cầu đó, hệ thống nâng của 
ACV là một trong những yếu tố quan trọng và 
quyết định. Hệ thống nâng của ACV bao gồm váy 
khí, các đường dẫn không khí, các quạt để hút 
không khí từ môi trường và đẩy vào trong để tạo 
Bài báo này được gửi vào ngày 10 tháng 06 năm 2017 và 
được chấp nhận đăng vào ngày 18 tháng 09 năm 2017. 
Lê Văn Dưỡng, Khoa Động lực, Học viện Kỹ thuật Quân sự. 
Nguyễn Duy Đạt, Khoa Xây Dựng, Đại học Ngô Quyền 
(e-mail: nguyenduydat1987@gmail.com) 
Mai Văn Toán, Khoa Xây Dựng, Đại học Ngô Quyền. 
lớp đệm khí (có áp suất cao hơn áp suất của môi 
trường xung quanh). Thành phần quan trọng xác 
định gần như toàn bộ các đặc tính của ACV trong 
quá trình nâng (tính ổn định, tính thông qua, tính 
lưỡng cư, tính điều khiển) là váy khí. Hiện nay 
trên các ACV hiện đại đang sử dụng hai dạng váy 
khí chủ yếu là dạng túi – ngón và dạng phân đoạn. 
 Cùng với sự phát triển của ACV, trên Thế giới 
đã có nhiều công trình nghiên cứu động lực học 
nâng của ACV để phục vụ quá trình thiết kế, hoàn 
thiện kết cấu hệ thống nâng của ACV. Chung đã 
mô tả kết quả của một phân tích động lực học nâng 
phi tuyến [1] và tuyến tính [2] của ACV với váy 
khí dạng túi – ngón. Fu [3] đã nghiên cứu động lực 
học của ACV dựa trên phương trình chuyển động 
cơ bản sáu bậc tự do. Nghiên cứu chỉ ra rằng sự 
thay đổi của góc do đệm khí hạ xuống và di chuyển 
nhỏ hơn nhiều so với tác động của sóng. Yang [4] 
đã sử dụng phương pháp tính toán động lực học 
chất lưu (CFD) để nghiên cứu động lực học của hệ 
thống váy của một ACV lý tưởng, dưới sự tác động 
không theo quy luật của sóng. Động lực học của 
mô hình thu nhỏ theo tỉ lệ của ACV di chuyển qua 
đầm lầy than bùn đã được nghiên cứu thực nghiệm 
bởi Hossain [5]. Hinchey [6] xây dựng mô hình 
nghiên cứu động lực học nâng ACV với tác động 
của nguồn kích thích phi tuyến. 
 Gần đây, tại Việt Nam đã có một số công trình 
nghiên cứu về ACV [7, 8]. Trong [8], tác giả đã xây 
dựng mô hình và tiến hành khảo sát động lực học 
nâng ACV. Tuy nhiên, trong mô hình này chưa tính 
đến ảnh hưởng của váy khí và bề mặt di chuyển. 
 Vì vậy mục tiêu của bài báo là xây dựng mô hình 
động lực học và nghiên cứu chất lượng động lực 
học của ACV sử dụng váy khí dạng phân đoạn khi 
di chuyển trên sóng hoặc các bề mặt gồ ghề nhằm 
phục vụ bài toán tính toán thiết kế ACV cỡ nhỏ 
phục vụ công tác vận tải, tuần tra, du lịch, tại 
Việt Nam. 
Nghiên cứu đánh giá động lực học nâng của 
tàu đệm khí sử dụng váy khí dạng phân đoạn 
Lê Văn Dưỡng, Nguyễn Duy Đạt, Mai Văn Toán 
T 
24 Science and Technology Development Journal, vol 20, No.K5-2017 
2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH KHẢO SÁT 
Giả thuyết xây dựng mô hình. Trong quá trình 
làm việc, ACV chịu tác động của các yếu tố bên 
ngoài như sóng, gió, khí động học Tuy nhiên, 
trong xây dựng mô hình và khảo sát động lực học 
nâng của ACV, ta giả thiết: 
 - Váy khí được giả định là một màng không đàn 
hồi, không khối lượng, áp suất khí p phân bố đều 
trong không gian dưới thân tàu và trong váy khí. 
 - Tốc độ dòng chảy của không khí bên trong váy 
khí và đệm khí được giả thiết không đổi. 
 - Lưu lượng khí vào Q qua quạt nâng của ACV 
và lưu lượng khí thoát ra Qa thông qua khe hở của 
váy đệm khí là ổn định. 
 - Bỏ qua các lực tác dụng của gió, sóng vào 
ACV trong mô hình xây dựng. 
 - Sự thổi khí vào váy khí được giả thiết là dưới 
tốc độ âm thanh và nén theo nguyên lý en-tro-pi, sự 
cân bằng nhiệt động xảy ra ở trong đệm khí. 
 Xây dựng mô hình. Với các giả thiết trên, mô 
hình khảo sát động lực nâng của ACV được thể 
hiện trên hình 1. Trong mô hình này, lượng không 
khí có khối lượng min được đẩy vào đệm khí từ quạt 
nâng, khi hoạt động ổn định ACV có khối lượng M 
(khối lượng khi ACV đầy tải) được nâng độ cao hc 
so với mặt nền nhờ đệm khí có độ cao hs phía dưới 
thân ACV, lượng không khí thoát ra khỏi váy đệm 
khí qua các khe hở he (he = hc - hs - hg) có khối 
lượng mout, hg là chiều cao mấp mô bề mặt. 
Hình 1. Mô hình động lực học Váy khí dạng phân đoạn 
 Áp suất khí p và lưu lượng khí Q đưa vào đệm khí 
từ quạt nâng được xác định theo mối quan hệ [1]: 
3
( 1)
r r
p Q
p Q
 
 (1) 
trong đó: рr và Qr tương ứng là áp suất và lưu 
lượng chuẩn phụ thuộc vào thiết kế của ACV; ε là 
hệ số tỷ lệ áp suất ứng với lưu lượng Q = 0, thường 
1,2 < ε < 1,4 để đảm bảo độ ổn định. 
 Phương trình (1) phản ánh thực tế là sự đảo 
ngược dòng chảy không khí định kỳ có thể xảy ra 
trong đệm khí, tức là: Q < 0, dp/dQ < 0. 
Quạt đẩy vào đệm khí lượng không khí có khối 
lượng min, ta có: 
in
m Q  [kg/s] (2) 
 Trong mô hình trên, sử dụng định luật 2 Newton 
viết phương trình chuyển động của ACV theo 
phương thẳng đứng, ta có: 
 c aM h p p S M g   (3) 
trong đó: ch là gia tốc nâng theo phương thẳng 
đứng của ACV (m/s2); p là áp suất trong đệm khí 
(Pa); pa là áp suất khí quyển (Pa); g là gia tốc trọng 
trường (m/s2); S là diện tích tác dụng theo phương 
nâng của áp suất khí trong đệm khí và được xác 
định theo công thức: 
wx x v
S k l b h L    (m2) 
với k là hệ số tính toán phần diện tích nằm trong 
váy khí, k = 1,2; lx và bx là chiều dài và chiều rộng 
của váy đệm khí tương ứng, thông thường lx = 2bx 
(m); Lv là chu vi váy khí, Lv = 1,2L (m). 
 Giả sử ACV có tiết diện ngang là hình chữ nhật, 
khi đó chu vi của đệm khí L được xác định theo 
công thức: L = 2(lx + bx) = 3lx 
 Suy ra: lx = L/3, bx = L/6 
hw là phần váy khí bị ngập trong nước hoặc bề 
mặt di chuyển tính theo phương ngang, có thể tính 
gần đúng hw như sau: 
w
( 0)
0 ( 0)
e e
e
h h
h
h
 Khối lượng không khí trong đệm khí m được xác 
định theo công thức: 
 m V (4) 
trong đó: ρ là khối lượng riêng không khí trong 
đệm khí (kg/m3); V là thể tích đệm khí và được tính 
theo công thức: 
 c gV kA h h (5) 
 Với: 2 / 18
x x
A l b L  (6) 
 Thế phương trình (6) vào phương trình (5) ta được: 
2
18
c g
L
V k h h (7) 
 Khi đó, phương trình (3) có thể viết dưới dạng: 
2
w
1
1, 2
18
c a
L
h k Lh p p g
M
 (8) 
 Phương trình cân bằng khối lượng không khí 
trong đệm khí: 
Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ, tập 20, số K5-2017 
25 
in out
m m m (9) 
 Do không khí trong đệm khí có sự thay đổi liên 
tục cả về thể tích và khối lượng riêng của nó theo 
thời gian, lấy đạo hàm theo thời gian hai vế của 
phương trình (4) ta được: 
 m V V (10) 
 Mối quan hệ giữa áp suất và khối lượng riêng 
của không khí bên trong đệm khí theo nguyên lý 
en-tro-pi: 
 = constp  (11) 
 Áp suất không khí có mối quan hệ tương đối với 
nhiệt độ bởi phương trình: 
 p RT hay 
p
RT
trong đó: /
p v
c c là số mũ đoạn nhiệt; R là 
hằng số khí, R = 287 (m2/s2K); T là nhiệt độ bên 
trong đệm khí (K). 
 Đạo hàm hai vế của phương trình (11) theo thời 
gian ta được: 
 1 0p p   (12) 
hay 
p
p

 (13) 
 Lấy đạo hàm hai vế của phương trình (9) theo 
thời gian, sau đó thế các phương trình (10) và (13) 
vào ta được: 
in out
p V
V m m
p

 (14) 
 Lấy đạo hàm hai vế của phương trình (5) theo 
thời gian ta được: 
 c gV kA h h 
 Thế vào phương trình (14) ta được: 
c
in u
g
o t
kA h hppV
m m
R RTT
 (15) 
 Từ phương trình (15), có thể giải p theo phương 
trình: 
i
c g
n out
kA h hRT
m
R
mp
V
p
T
 
 (16) 
 Phương trình (16) có ba giá trị chưa biết: độ 
nâng theo phương thẳng đứng hc, áp suất đệm khí 
p, lượng khí vào, ra khỏi đệm khí ,
in
m
out
m .Trong 
đó theo phương trình (1) và (2) ta có: 
3
1
r r
in
r
p p pQ
m Q
p RT


 
 (17) 
 Để tính lưu lượng khí thoát ra, áp dụng phương 
trình Becnuly đối với hai bề mặt khí: 
2
const
2 1
v p
 
 (18) 
 Từ phương trình (18), áp dụng đối với mặt cắt 
trong đệm khí (v1 = 0, p1 = p) và mặt cắt bên ngoài 
đệm khí (v2 = vout, p2 = pa), ta có: 
1
22
1
a
a
out
pp
v

 
 (19) 
trong đó: p và là áp suất và khối lượng riêng 
không khí trong đệm khí; pa và a là áp suất và khối 
lượng riêng không khí ngoài khí quyển. 
 Mối quan hệ của a và được xác định theo 
nguyên lý en-trô-pi: 
1
a a
p
p
 
 (20) 
 Thế phương trình (20) vào phương trình (19) ta 
nhận được: 
1
1 2
2
1
1
a
a
out
pp
v




 
  
  
 (21) 
 Lưu lượng khí thoát khỏi đệm khí được xác định 
theo phương trình liên tục: 
out a e out
m A v (22) 
trong đó: Ae là diện tích khí thoát ra và được xác 
định theo công thức, (m2): 
1
1
2
e c g s c g s
A L h h h sign h h h 
 Khi đó, thế phương trình (21) vào phương trình 
(22) và đặt aa
p
RT
 ta được: 
1
2 1 2
1
2
2
1
c g s c g s
out
a a
pL h h h sign
p p
h h h
m
RT
p p

 

  
  

 (23) 
 Phương trình này có thể chính xác hơn bằng cách 
thêm vào một hệ số c0 để tính đến sự sai lệch do lý 
tưởng hóa mô hình, hệ số c0 có thể xác định bằng 
thực nghiệm [9]. Vì vậy, khối lượng khí thoát ra 
khỏi đệm khí xác định theo phương trình (23) có 
thể viết lại như sau: 
26 Science and Technology Development Journal, vol 20, No.K5-2017 
 0
1
2 1 2
1
2
2
 (24)
1
c g s c g s
out
a a
c pL h h h sign h h h
m
RT
p p
p p

 

  
  

 
 Thế phương trình (17) và (24) vào phương trình 
(16) ta được: 
3
0
1
2 1 2
1
2
2
1
1
c g
c g s c g s
a
r
r
a
r
pkA h h
RT
c pL h h h sign h h h
RT
RT
p
V
p p pQ
p RT
p p
p p

 




  
 
 
  
  
(25) 
 Như vậy, ta thu được hệ phương trình mô tả 
động lực học nâng của ACV sử dụng váy khí dạng 
phân đoạn bao gồm hai phương trình phi tuyến (8) 
và (25) và được thể hiện như sau: 
 0
2
1
w
1
2 2
3
1
1, 2
1
2
8
1
1
2
1
c a
r r
r
c g
c g s c g s
a a
L
h k Lh p p g
M
RT
p
V
p p pQ
p R
pkA h h
RT
c pL h h h sign h h
T
p
p p
R
p
T
h

 




  
  
  
  
 
(26) 
 Trong hệ phương trình (26) các thông số: L, R, g, 
γ, T, hs, pa, ρa là các thông số đầu vào. 
3 KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC NÂNG ACV 
Trong phần này, trên cơ sở mô hình và hệ 
phương trình vi phân mô tả động lực học nâng của 
ACV đã xây dựng, tiến hành khảo sát động lực học 
nâng ACV với váy khí dạng phân đoạn “Neoteric 
Hovertrek 6100L” đang được sử dụng tại Lữ đoàn 
Công binh 249 – Bộ tư lệnh Công binh, Lữ đoàn 25 
– Quân khu 9 với các thông số kết cấu chính như 
sau [10]: M = 816 kg; lx = 3,14 m; bx = 1,57 m; L = 
9,42 m. 
 Các thông số đầu vào phục vụ tính toán: 
Qr = 0,97 m3/s; pr = 1,25×105 Pa; R = 287 m2/s2K; 
g = 9,81 m/s2; γ = 1,4; T = 2930K; hs = 0,22 m; 
pa = 1,013×105 Pa; a = 1,205 kg/m3; c0 = 0,95; ε 
= 1,3; k = 1,2. 
 Để đơn giản trong quá trình khảo sát, ta giải 
quyết bài toán khi tàu di chuyển trên bề mặt mấp 
mô có quy luật: 
 0 0
2
sin sin
g
c
h A t A t
T

trong đó: A0 là biên độ mấp mô, A0 = 0,03 m; Tc 
là chu kỳ của mấp mô, Tc= 0,3 s. 
 Thay các giá trị trên vào và giải hệ phương 
trình vi phân (26) để khảo sát các thông số động lực 
học nâng của ACV “Neoteric Hovertrek 6100L”, 
kết quả thu được là sự thay đổi của chiều cao nâng, 
áp suất đệm khí và khe hở đệm khí được thể hiện 
lần lượt trên hình 2, 3 và 4 tương ứng. 
Hình 2. Độ cao nâng của ACV theo thời gian 
Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ, tập 20, số K5-2017 
27 
Hình 3. Áp suất đệm khí theo thời gian 
Hình 4. Khe hở váy khí theo thời gian 
Từ kết quả nhận được chỉ ra trên hình 2, 3 và 4 
nhận thấy rằng, khi ACV di chuyển trên bề mặt 
mấp mô, với quy luật mấp mô nhất định, độ cao 
nâng của ACV sử dụng váy khí phân đoạn cũng có 
giá trị dao động với quy luật tương tự. Giá trị áp 
suất của đệm khí cũng dao động với mức độ tương 
ứng, tùy thuộc vào xu hướng thay đổi của của khe 
hở váy khí và mức độ đảm bảo lưu lượng dòng khí 
từ động cơ. 
4 KẾT LUẬN 
Bài báo đã xây dựng được mô hình và hệ phương 
trình vi phân mô tả động lực học nâng đối với ACV 
với váy khí dạng phân đoạn được sử dụng trên các 
tàu đệm khí loại nhỏ hoạt động trên bề mặt gồ ghề. 
Trên cơ sở mô hình xây dựng, tiến hành khảo sát 
các thông số động lực học như chiều cao nâng, áp 
suất đệm khí và khe hở của ACV “Neoteric 
Hovertrek 6100L” với quy luật gồ ghề của bề mặt 
cho trước. Kết quả nghiên cứu có thể sử dụng tham 
khảo trong việc nghiên cứu, tính toán, thiết hệ 
thống động lực ACV phục vụ tính toán thiết kế 
ACV loại vừa và nhỏ ở Việt Nam. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Chung J., Sullivan P. A., Ma T., Nonlinear 
heave dynamics of an air cushion vehicle bag-
and-finger skirt, Journal of Ship Research, 
43(2), 77-94, 1999. 
[2] Chung J., Sullivan P.A, Linear Heave 
Dynamics of an Air-Cushion Vehicle Bag-and-
Finger Skirt, Transactions of the Japan Society 
for Aeronautical and Space Sciences, 43(140), 
39-45, 2001. 
[3] 
Fu M.Y., Zhang H.Y., Shi X.C., Bian X.Q., 
"Theoretical Analysis on the Operation 
Performance of Air Cushion 
Vehicle,"Shipbuilding of China, 14-21, 2006. 
[4] Yang Q., Jones V., McCue L., Investigation of 
Skirt Dynamics of Air Cushion Vehicles under 
Non-linear Wave Impact Using a SPH-FEM 
Model, 11th International Conference on Fast 
Sea Transportation FAST 2011, Honolulu, 
Hawaii, USA, 2011. 
[5] Hossain A., Rahman A., Mohiuddin A.K.M., 
Aminanda Y., Dynamic Modeling of 
Intelligent Air-Cushion Tracked Vehicle for 
Swamp Peat, International Journal of 
Aerospace and Mechanical Engineering, 2011. 
[6] Hinchey M.J., Sullivan P.A., A theoretical 
study of limit cycle oscillations of plenum air 
cushion, Journal of sound and vibration, 79(1), 
61-77, 1981 
[7] Lê Đình Tuân, Đoàn Hiền, Thiết kế tàu đệm 
khí cho công tác tìm kiếm cứu nạn, Science & 
Technology Deverlopment, 18(7), 2015. 
[8] Lê Văn Dưỡng, Nguyễn Viết Tân, Nguyễn 
Duy Đạt, Hoàng Văn Huấn, Nghiên cứu động 
lực học nâng Tàu đệm khí, Tạp chí Khoa học 
Công nghệ Xây dựng, 11(4):161-166, 2017. 
[9] Amyot J.R., Hovercraft Technology 
Economics and Applications, Elsevier Studies 
in Mechanical Engineering, Elsevier Inc, 11, 
1989. 
[10] Tài liệu hướng dẫn vận hành tàu đệm khí 
Neoteric Hovertrek 6100L, Lữ đoàn 249/BTL 
Công Binh. 
28 Science and Technology Development Journal, vol 20, No.K5-2017 
Lê Văn Dưỡng nhận bằng kỹ 
sư (2007) ngành Cơ khí Động 
lực tại Học viện Kỹ thuật Quân 
sự, Việt Nam, và Tiến sỹ (2014) 
ngành Cơ học Vật rắn Biến dạng 
tại Đại học Kỹ thuật Tổng hợp 
Sông Đông, Liên Bang Nga. 
Giáo viên Khoa Động lực, 
Học Viện Kỹ thuật Quân sự. 
Hướng nghiên cứu chính là thiết 
bị sử dụng các vật liệu tiên tiến 
biến đổi các dao động cơ học từ 
môi trường xung quanh thành 
năng lượng điện và lưu trữ dưới 
dạng pin; động học, động lực 
học và độ bền máy; Phương 
pháp Phần tử Hữu hạn. 
 Nguyễn Duy Đạt nhận bằng 
kỹ sư (2008) ngành Cơ khí Động 
lực tại Học viện Kỹ thuật Quân 
sự, Việt Nam, và Thạc sỹ (2012) 
ngành Hệ thống điều khiển thủy 
lực và Khí nén tại Đại học Kỹ 
thuật Tổng hợp Bauman, Liên 
Bang Nga. 
Giáo viên Khoa Động lực, 
Học viện Kỹ thuật Quân sự. 
Hướng nghiên cứu chính là động 
lực học hệ thống thủy lực, khí 
nén, thiết kế hệ thống thủy lực 
và khí nén. 
Mai Văn Toán nhận bằng kỹ 
sư (2013) ngành Cơ khí Động 
lực tại Học viện Kỹ thuật Quân 
sự, Việt Nam. 
Giáo viên Khoa Máy công 
trình, Trường Sĩ quan Công 
binh. Hướng nghiên cứu chính là 
động lực học máy xây dựng. 
Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ, tập 20, số K5-2017 
29 
Abstract—Air Cushion Vehicle (ACV) is a 
moving vehicle on airbags, which can travel on 
land and on water to transport people, goods 
and equipment. An important requirement for 
ACVs is to: increase reliability and longevity, 
reduce operating costs, stability and mobility. In 
this paper, a model for the dynamic behavior of 
air cushion vehicles segment skirt is presented. 
In this model, the compressible Bernoulli's 
equation, Newton's second law of motion are 
used to predict the dynamic behavior of the air 
cushion vehicles. Based on the developed model, 
the heave dynamics parameters of the air 
cushion vehicles “Hovertrek 6100L” are 
surveyed. 
Keywords—Air Cushion Vehicle, Heave Dynamics, 
Cushion Pressure, Segment Skirt. 
Investigation of heave dynamics of an air 
cushion vehicle segment skirt 
Le Van Duong, Nguyen Duy Dat, Mai Van Toan