Nguyễn Mạnh Tuấn, Phạm Hoài Anh
Trung tâm Đo lường/ Cục TC-ĐL-CL

Abstract:

In 2010, for the first time shipyard H of the Department of Military Industry was assigned the task of deploying artillery by the Ministry of Defense Affairs. Compared with earlier cargo ships and warships, the new testing and control equipment, pedestal mounted artillery and radar guns have additional requirements. The new requirements include setting up a plane along the center, a symmetric plane along the hull, accurately determine the direction and scope of the entire surface of the pedestal table and standard guns, artillery, control systems and radar in the location, the various compartments on the train. The requirements have never been done in Vietnam. After receiving a request from the shipyard, the Military Metrology Center has conducted a survey and after a short time, researchers have developed implementation plans which are approved by foreign experts who helped with the on board installation. The actual results have achieved international measurement standards, contributing to the installation of the testing and control systems, ensuring accurate artillery guns. This paper introduces the works of the Military Metrology Center.

1. Đặt vấn đề:

Trong các năm qua tại phòng Chuẩn Quang học, Trung tâm Đo lường đã nghiên cứu xây dựng được một loạt các phương pháp đo xác định độ lệch song song các trục quang trong khí tài quang học. Năm 2010, nhà máy đóng tàu H của TCCNQP lần đầu tiên được BQP giao và triển khai đóng các tàu pháo. So với các tàu chở hàng, các tàu chiến đã đóng trước đây có những yêu cầu mới đối với  các thiết bị kiểm tra, điều khiển, bệ lắp súng pháo và ra đa. Các yêu cầu mới này đòi hỏi phải giải quyết một số vấn đề kỹ thuật mới có liên quan gần với những  nghiên cứu của phòng Chuẩn Quang học kể trên, vì vậy, sau khi khảo sát chúng tôi đã đưa ra phương án thực hiện, được phía nhà máy chấp nhận. Kết quả thực hiện thực tế đã đạt được các chỉ tiêu về đo lường theo thiết kế kỹ thuật của nước ngoài. Trong bài bài báo này xin giới thiệu các nội dung Trung tâm Đo lường đã thực hiện.

2. Thiết lập mặt phẳng dọc tâm (MPDT) cho tàu pháo

Mặt phẳng dọc tâm của tàu pháo là mặt phẳng đối xứng bổ dọc và chia đôi con tàu. Hệ thống đo đạc và vũ khí đều được căn chỉnh, lấy chuẩn theo mặt phẳng này. Do có yêu cầu về độ chính xác cao nên MPDT phải được thiết lập sau khi vỏ tàu, các khoang tầu và bệ lớn lắp thiết bị và vũ khí đã được chế tạo, hàn liên kết, không còn biến dạng. Do đó việc thiết lập MPDT trên bong tàu và truyền xuống các khoang tàu có những khó khăn cần phải nghiên cứu để làm được.

Sau khi khảo sát thực tế, chúng tôi đã nghiên cứu và tìm ra giải pháp để thực hiện công việc này, sử dụng các phương tiện đo, phương tiện phụ trợ hiện có và chế tạo thêm các phương tiện phụ trợ.

MPDT có yêu cầu chứa 2 điểm dấu mốc A và B do nhà máy đóng tàu cung cấp, nằm ở mũi và đuôi tàu. Hai điểm này không thể nhìn thẳng tới nhau do vướng buồng lái, nên việc thiết lập MPDT khó khăn hơn. Cần phải xác định một điểm thứ ba nằm trong MPDT cùng với 02 điểm A và B đã biết, và điểm thứ ba này phải không nằm trên một đường thẳng với 02 điểm đã biết. Có một thuận lợi là, tại vị trí hoàn thiện, thân tàu đã được căn chỉnh đảm bảo cân bằng ngang và đứng. Do đó bài toán tìm điểm thứ 3 trong MPDT là tìm một điểm nằm trong mặt phảng chứa hai điểm A, B và vuông góc với mặt phẳng nằm ngang (mặt thủy chuẩn). Với tính năng của máy kinh vĩ, bài toán này có thể giải được, bởi vì khi được chỉnh để sẵn sàng làm việc, máy kinh vĩ được cân bằng để đảm bảo trục quay hướng của nó vuông góc với mặt thủy chuẩn và trục quay của  đĩa khắc vạch và trục quay ống kính ngắm theo tầm song song với mặt thủy chuẩn. Như vậy khi quét ống kính máy kinh vĩ để thiết lập hay đo góc tầm, trục quang của ống kính sẽ tạo nên một mặt phẳng vuông góc với mặt thủy chuẩn. Như vậy, để giải quyết bài toán đặt ra, cần tìm vị trí đặt máy kinh vĩ để khi quay ống kính quét tạo mặt phẳng thẳng đứng đi qua 02 điểm A, B là được.

Về nguyên tắc có thể tìm điểm thứ ba trong MPDT bằng cách dùng phương tiện đơn giản gồm dây rọi và một dây kéo căng: vì 2 điểm A, B không thể nối thẳng bằng cách căng dây do khuất các cabin, nên có thể dùng dây rọi để “chiếu” điểm B ở đuôi tầu lên cao, xác định điểm B’ nằm trên đường thẳng dây rọi với B. Sau đó nối A với B’ bằng một dây đảm bảo như là một đường thẳng thì có thể lấy một điểm bất kỳ trên dây nối này để được điểm C cùng với A và B tạo thành MPDT cần thiết lập. Tuy nhiên cách này không đảm bảo độ chính xác do không thể căng một sợi dây có độ dài 30 m thành một đường thẳng.

Như vậy yêu cầu đặt ra là phải đưa điểm định tâm của máy kinh vĩ (O2) trên hình 1 về vị trí O1. Chỉ cần xác định độ lệch h  là khoảng cách O1O2  trên Hình 1. Trong trường hợp các điểm A, B, O1 và O2 cùng nằm trong mặt phẳng ta có công thức tính (3). Thực tế thì các điểm này không nằm trong mặt phẳng nằm ngang, do đó trong tính toán phải sử dụng hình chiếu của các điểm, các cạnh xuống mặt phẳng nằm ngang. Một lưu ý thêm là, khi tại O không thể ngắm tới cả A và B có thể dùng dây dọi đưa một điểm A hoặc B lên cao để sử dụng, vì khi mũi nhọn quả dọi chỉ đúng A hoặc B thì các đểm trên dây dọi cũng thuộc MPDT. Độ chính xác ổn định vị trí của dây dọi là 1 mm, gây ra sai lệch góc xấp xỉ  4.

Sử dụng máy kinh vĩ có độ chính xác 5” đặt trên bong tại vị trí O2, ngắm xuống 2 điểm dấu tại A và B ở hai mũi tàu. Nếu đo góc AO2B được 180o  thì mặt phẳng dọc tâm tàu đi qua hai điểm dấu A, B sẽ là mặt phẳng chứa A, B và điểm O2. Nếu góc AO2B  khác 180o như trên hình vẽ, khi đó:

- Dùng máy đo xa Laser đo khoảng cách AO2 = bO; BO2 = aO;

- Dùng máy kinh vĩ đo góc AO2B = α ; góc tầm từ O2 tới A là A, góc tầm từ O2 tới B là B; tính được:

 (1)   (2)

- Từ đó có thể tính khoảng lệch O1O2 = h, theo công thức:

 (3)

Hình 1: Sơ đồ xác định MPDT

Để đảm bảo độ tin cậy, sau khi xác định được điểm O1 ta di chuyển máy kinh vĩ để định tâm tại O1 sau đó lặp lại kiểm tra, cho tới khi góc <AO2B sai lệch so với 180o nhỏ hơn 10” là đạt. Đánh dấu điểm đã xác định trên sàn tàu.

Thực tế chúng tôi xác định được vị trí điểm nằm trên MPDT trên cabin thượng tầng 3 với giá trị sai lệch là 6, cộng thêm sai số do dây dọi 4” thì tổng sai số vẫn đảm bảo không quá 10”.

3. Truyền chuẩn mặt phẳng dọc tâm xuống các bệ pháo, bệ Rađa, xuống khoang đặt mặt phẳng kiểm tra (MPKT) và la bàn con quay.

3.1. Truyền chuẩn MPDT xuống các bệ pháo, Rađa và xuống khoang đặt MPKT.

Khi đã xác định được điểm O1 trên bong tàu thuộc MPDT, định tâm máy kinh vĩ tại O1; quy “0” góc hướng khi ngắm về A hoặc B có thể xác định thêm các điểm khác nhau trên tàu thuộc MPDT bằng cách ngắm máy kinh vĩ tới các điểm khác nhau, giữ nguyên góc hướng “0”, đây chính là phương pháp thuỷ chuẩn cạnh hay được ứng dụng trong xây dựng. Bằng cách làm tương tự như ở phần 1, có thể thiết lập các điểm trong MPDT trong các khoang cần thiết của con tàu, xác định hướng “0” cho các bệ pháo, Ra đa có tâm quay nằm trong MPDT. Khi truyền qua các khoang kín không thể ngắm bằng máy kinh vĩ thì cần phải khoét lỗ kỹ thuật để có thể ngắm xuyên qua. Theo Nguyên tắc xích kích thước ngắn nhất, cần giảm tối đa các bước truyền, nên truyền thẳng MPDT xuống khoang đặt MPKT không khả thi thì truyền qua các điểm trung gian trên bong tàu sau đó truyền thẳng xuống khoang chứa MPKT.

3.2. Truyền chuẩn góc tầm cho mặt phẳng kiểm tra của tàu pháo

Mặt phẳng kiểm tra (MPKT) được chế tạo từ thép đặc biệt để có thể giữ được các chuẩn về góc tầm (thủy chuẩn) và các góc hướng (được thiết lập thông qua các lỗ khoan và các chốt có mặt vát trùng với mặt phẳng chia đôi các lỗ). Việc xác định độ phẳng của MPKT cũng như các góc thiết lập được tiến hành tại phòng thí nghiệm của TTĐL đảm bảo độ chính xác theo yêu cầu. Khi lắp MPKT xuống vị trí tại khoang ổn định nằm cách MPDT 450 mm và mặt phẳng cơ bản của tàu 1800 mm phải đảm bảo yêu cầu: góc của mặt bàn của MPKT là chuẩn thống nhất cho bề mặt của tất cả các bệ pháo, ra đa và mặt bệ của các thiết bị điều khiển khác trên tàu. Độ chính xác yêu cầu rất cao là: độ nghiêng của tất cả các bề mặt của các bệ pháo, ra đa và bệ của các thiết bị điều khiển so với MPKT ở mọi hướng không quá 40”.  

Để thực hiện yêu cầu này, gần như không có khả năng truyền chuẩn trực tiếp từ MPKT tới các mặt phẳng khác đặt ở các vị trí khác nhau, ở các độ cao và các khoang khác nhau của tàu. Do vậy phải sử dụng một chuẩn trung gian chung: đó là mặt thủy chuẩn. Vỏ tàu đã được căn chỉnh để có thể thực hiện được điều này một cách thuận lợi, các bề mặt của các bệ pháo, ra đa và của các thiết bị điều khiển khi gia công, lắp đặt đã được chỉnh đảm bảo không lệch so với mặt thủy chuẩn quá 20” bằng sử dụng Ni vô khung của nhà máy có độ chính xác 10”. Sử dụng ni vô khung vuông độ chính xác 5 hiện có của TTĐL có thể căn chỉnh, lắp MPKT với sai lệch so với mặt thủy chuẩn không quá 10”, qua đó đảm bảo sai lệch tổng giữa các bề mặt của các bệ với MPKT không quá 30”.

3.3. Truyền chuẩn góc hướng cho MPKT

Yêu cầu: Góc hướng chuẩn đường 0-180o trên MPKT phải được truyền chuẩn từ MPDT đạt độ chính xác 2’.

Đối với yêu cầu này, khác với các nghiên cứu trước đây tại Phòng Chuẩn quang học, việc truyền chuẩn hay so sánh các đường song song đều là các trục quang, ở đây phải truyền chuẩn trục quang cho một mặt phẳng thực (mặt phẳng thiết lập hướng chuẩn từ 02 mặt vát của 02 chốt trên MPKT, xem sơ đồ Hình 3). Muốn thực hiện được việc này cần phải có phương tiện phụ trợ. Cần phải tạo ra một phương tiện phụ trợ có 01 mặt phẳng thực gắn liền với một trục quang song song với nó. Sau khi nghiên cứu, căn cứ vào các phương tiện hiện có của Phòng Chuẩn quang học, đã tìm ra phương án thực hiện việc này: ghép ống chuẩn trực của máy đo góc ЮΓ  với đế có rãnh V của ni vô khung KO-60 (đế này có thể tháo lắp dễ dàng). Trong trường hợp các chi tiết được chế tạo chính xác thì khi ghép như vậy, trục quang của ống chuẩn trực sẽ song song với các cạnh của đế Ni vô trong đó có cạnh bên phải. Cạnh này sẽ áp vào 02 má chốt định vị hướng cho MPKT khi thực hiện truyền chuẩn từ MPDT sang MPKT (Hình 3). Tuy nhiên do sai số chế tạo nên trục quang ống chuẩn trực và hướng cạnh phải đế Ni vô không song song mà có lượng lệch nhỏ . Để đảm bảo độ chính xác cao cho truyền chuẩn, cần phải xác định giá trị góc lệch này để đưa vào hiệu chính. Cách xác định được thực hiện tại Phòng Chuẩn quang học trên máy đo góc chính xác (ΓC-2, chẩn chính BQP), theo sơ đồ Hình 2.

Hình 2: Sơ đồ đo xác định góc lệch giữa trục quang ống chuẩn trực và mặt cạnh Ni vô

1- Ống chuẩn trực; 2- Đế Ni vô; 3- Gương song phẳng (căn mẫu); 4- Bàn quay máy đo góc; 5- Ống tự động chuẩn trực của máy đo góc; B-B’: hướng trục quang ống chuẩn trực; C-C’: hướng mặt phẳng cạnh phải đế Ni vô; A-A: hình chiếu mặt cắt A-A.

3.3.1. Cách xác định góc lệch   giữa trục BB’ và CC’ như sau:

a/ Gá ống chuẩn trực 1 và đế Ni vô khung 2 lên bàn đo của máy đo góc ΓC-2 (sơ đồ Hình 2).

b/ Ghép miếng gương hoặc căn mẫu song phẳng 3 áp một mặt vào cạnh CC’ của Ni vô.

c/ Chỉnh bàn đo để ống tự động chuẩn trực 5 của máy đo góc ngắm thẳng góc cạnh CC’(gương 3), đọc giá trị góc hướng trên ΓC-2 là 1.

d/ Quay bàn đo máy đo góc sao cho ống chuẩn trực của máy đo góc ngắm đối diện vật kính ống chuẩn trực gá trên đế Ni vô (vào đầu B), chỉnh cho kính vạch 02 ống chuẩn trực trùng về hướng, đọc giá trị góc 2.

e/ Góc lệch:      =  2 -  1 - 90O; góc lệch có giá trị dương khi đường BB’ và CC’ cắt nhau ở phía kéo dài B’, C’; góc lệch âm, BB’ và CC’ cắt nhau phía kéo dài B, C.

Kết quả đo được góc  = 1’28” với độ không đảm bảo đo là 8”

3.3.2. Truyền chuẩn góc hướng từ MPDT cho MPKT

Việc truyền chuẩn được mô tả trong sơ đồ Hình 3. Các bước như sau:

a/ Định tâm máy kinh vĩ thứ nhất KV01(độ chính xác 5”) trùng MPDT theo cách làm ở phần 2, dựa vào 02 điểm dấu được truyền từ trên bong tàu xuống khoang lắp MPKT, quy “0” về hướng KV01 theo hướng O1A của MPDT.

b/ Gá ống chuẩn trực vào đế Ni vô khung theo đúng vị trí đã xác định góc lệch  = 1’28”; Gá tỳ cạnh đế Ni vô vào 02 má bán nguyệt của chốt định vị hướng của MPKT. Chỉnh hướng MPKT để hướng ống chuẩn trực đặt trên đế Ni vô tương đối song song với MPDT (hướng ngắm gốc của KV01).

c/ Đặt kinh vĩ thứ 2 (KV02, độ chính xác 10”) tại vị trí tương đối ngang bằng với KV01 và có thể ngắm gần đối diện ống chuẩn trực (hình 3).

Hình 3: Sơ đồ truyền chuẩn hướng từ MPDT sang MPKT

O1- tâm máy kinh vĩ thứ nhất KV01; O2- tâm máy kinh vĩ thứ hai KV02; O1A là hướng của mặt phẳng dọc tâm (MPDT); O2B là hướng ngắm theo trục ống chuẩn trực đặt trên đế Ni vô; O1O2 là đường nối tâm 02 máy kinh vĩ (đường ngắm trùng tâm 02 trục ngắm).

d/ Trên sơ đồ Hình 3 có thể thấy, để mặt phẳng đế Ni vô áp với má 02 chốt định vị hướng chuẩn của MPKT song song với MPDT, thì phải thỏa mãn công thức sau:

góc(AO1O2) + góc(O1O2B) = 180O +                                     (4)

đ/ Từ 02 vị trí lắp đặt cân bằng và định tâm tại O1 và O2, quay các máy kinh vĩ để ngắm đối vào nhau để xác định góc (AO1O2): chỉnh để vạch tâm dọc 02 ống kính trùng nhau, đọc gía trị góc hướng trên KV01, giá trị tuyệt đối góc đọc được chính là góc (AO1O2). Tại vị trí này, quy “0” góc hướng máy KV02.

e/ Tiếp theo, quay máy KV02 để ngắm về hướng ống chuẩn trực với độ lớn góc quay(O1O2B) thỏa mãn công thức 4, trong đó các góc khác đều đã được xác định. Hướng thiết lập này của máy KV02 chính là hướng chuẩn cho ống chuẩn trực để đảm bảo mặt phẳng tạo bởi 02 mặt vát chốt định vị chuẩn hướng của MPKT song song với MPDT.

f/  Chỉnh bàn MPKT để tại hướng thiết lập chuẩn máy KV02, ngắm vào ống chuẩn trực vạch tâm về hướng (vạch đứng qua tâm) của 02 ống kính trùng nhau.

g/ Sau khi chỉnh đúng hướng cần kiểm tra lại về tầm của MPKT theo mục 3.2, nếu không đạt cần phải chỉnh lại, cần có biện pháp để khi chỉnh tham số này ít ảnh hưởng tham số kia, hoặc vừa chỉnh vừa giữ 02 chuẩn cả tầm và hướng để quan sát được sự dịch chuyển trong mỗi tác động chỉnh.

h/ Đánh giá sai số truyền chuẩn MPDT xuống MPKT: MPDT được xác định ở phần 2 có sai số là 10”; khi truyền xuống mỗi điểm mỗi lần sẽ gây sai số 10” (sai số kinh vĩ cộng định tâm) như vậy để có được một điểm chuẩn trong khoang đặt MPKT cần truyền 02 lần gây sai số tổng 20”, sai tổng của 02 điểm sẽ là 40”; từ 02 điểm chuẩn, thiết lập vị trí chuẩn máy KV01 trong hình 3 có thể ước lượng sai số 10” nữa, như vậy tổng sai số truyền từ MPDT xuống máy KV01 ước lượng thô là 60”. Máy KV02 có độ chính xác 10” có thể ước lượng sai số truyền chuẩn từ KV01 sang KV02 là 15”; tiếp theo sai số truyền chuẩn từ máy KV02 sang ống chuẩn trực là 15”; sai số truyền từ ống chuẩn trực sang mặt phẳng các chốt chuẩn của MPKT ước lượng là 10”, như vậy sẽ có tổng sai số ước lượng khi truyền chuẩn từ MPDT sang MPKT sẽ là 100” bằng 1’40”, đây là ước lượng thô nhất, thực tế sai số có thể bù, trừ dẫn đến sai số tổng nhỏ hơn, hoặc ước lượng sai số tổng hợp bằng căn bậc hai tổng bình bình phương của các sai số đơn cũng thu được sai số nhỏ hơn,  thỏa mãn yêu cầu: sai số MPKT so với MPDT là 2’.

k/ Sau khi đã căn chỉnh đảm bảo độ chính xác cả về tầm và hướng cho MPKT, MPKT được gắn cố định lại bằng keo đặc biệt thay cho hàn hay bắt chặt bằng bu lông để đảm bảo không bị biến dạng gây sai số.

4. Kết quả đạt được

Việc thiết lập  MPDT cũng như truyền chuẩn MPDT xuống các bệ lắp các thiết bị kiểm tra, điều khiển và bệ lắp súng pháo đã được các cán bộ của phòng Chuẩn Quang học, Trung tâm Đo lường thực hiện lần đầu, đảm bảo độ chính xác theo yêu cầu, đáp ứng các yêu cầu về kỹ thuật và đo lường cho căn chỉnh và lắp đặt hệ thống vũ khí trên tầu pháo lần đầu tiên nhà máy được giao chế tạo. Công việc đã được nhà máy, các cơ quan liên quan của Hải quân cũng như các chuyên gia nước ngoài đánh giá tốt, kết quả thử nghiệm tàu và bắn đạn thật đạt độ chính xác cao. Sau khi trực tiếp đo, căn chỉnh các mặt phẳng chuẩn cho 02 tàu pháo đầu tiên, Trung tâm Đo lường đã chuyển giao kỹ thuật, nhà máy mua thêm một số chuẩn mẫu và có thể tự thực hiện đo, căn chỉnh các mặt phẳng chuẩn cho các tàu tiếp theo với kết quả đạt được đều tốt.

Ngoài nội dung trình bày trong bài báo, một công việc khác cũng góp phần quan trọng của Đo lường trong chế tạo thành công tàu pháo đầu tiên ở Việt Nam. Đó là việc Phòng Khối lượng-Lực thuộc Trung tâm Đo lường phối hợp với B20 Viện KH&CN QS giúp nhà máy chế tạo MPKT và thước thẳng có độ dài lớn 4,0 m và độ chính xác cao là 0,2 mm, giúp kiểm tra độ phẳng các bề mặt bệ súng, pháo và Ra đa, góp phần đánh giá được chất lượng gia công cũng như các chỉ tiêu của các bề mặt lớn đòi hỏi độ chính xác cao mà trước đây ở Việt Nam chưa có đơn vị nào thực hiện.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1/ TRẮC ĐỊA, TS Nguyễn Quang Tác, Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội 1998.

2/ Grundlagen der Winkelmesstechnik, Igor Brezina, VEB VERLAG TECHNIK BERLIN