Là một thiết bị vũ khí tối tân, việc chế tạo và vận hành tàu ngầm đòi hỏi những tiêu chuẩn kỹ thuật và kỷ luật khắt khe.
Mặc dù ra đời từ khá sớm, nhưng chỉ đến giai đoạn Thế chiến 1, tàu ngầm U-boat của Đức mới chứng tỏ giá trị của loại vũ khí này trong thực chiến, khi đánh chìm rất nhiều tàu của phe Hiệp ước.
Đến Thế chiến 2, sau khi Anh phát triển công nghệ radar và sonar cho tàu ngầm, hải quân Mỹ cũng cải tiến những hệ thống này cùng với ống thông hơi do người Đức chế tạo giúp tăng đáng kể thời gian lặn của tàu ngầm, biến chúng thành những vũ khí không thể thiếu đối với bất cứ cường quốc quân sự nào.
Tuy nhiên, để có thể trở thành những "sát thủ" dưới lòng đại dương, những chiếc tàu ngầm phải được chế tạo theo quy trình chặt chẽ, với những tiêu chuẩn khắt khe nhất, theo Marinebio.
Cơ chế lặn nổi
Tàu ngầm nổi hoặc lặn xuống nước phụ thuộc vào các bể dằn nằm giữa thân trong và thân ngoài của nó.
Để lặn, tàu ngầm phải có lực nổi nhỏ hơn trọng lực. Lúc này, các van trên bể dằn được mở ra giúp nước biển tràn vào đẩy không khí ra giúp tàu lặn xuống. Độ lặn sâu của tàu được kiểm soát nhờ điều chỉnh tỷ lệ nước biển và không khí trong các bể dằn. Khi trọng lượng tàu bằng lượng choán nước bên trong bể dằn, tàu ngầm sẽ ở trạng thái cân bằng, không nổi hoặc chìm sâu hơn.
Để giúp tàu nổi lên mặt nước, chỉ cần dùng khí nén đẩy nước biển ra khỏi các bể dằn, giúp lực nâng của nước lớn hơn trọng lực.
Thiết kế và điều khiển
Tàu ngầm luôn có hình trụ với phần đầu nhỏ và hai lớp vỏ gồm thân trong và thân ngoài. Phần thân trong, hay còn gọi là thân chịu lực, giúp bảo vệ thủy thủ trước áp suất lớn khi lặn sâu và giúp tàu tránh được nhiệt độ băng giá của nước biển. Phần thân ngoài là lớp vỏ bao bọc tàu.
Những tiến bộ công nghệ đã làm thay đổi quá trình quan sát và vận hành tàu ngầm. Một bước đột phá quan trọng trong các tàu ngầm lớp Virginia là việc sử dụng các cột buồm Photonics giúp loại bỏ các kính tiềm vọng thông thường. Thay vì sử dụng các gương và thấu kính để quan sát mặt nước, một số camera màu có độ phân giải cao được tích hợp để truyền hình ảnh lên các màn hình cỡ lớn trong đài chỉ huy thông qua hệ thống sợi quang.
Tàu ngầm sử dụng các loại động cơ gồm động cơ diesel, động cơ điện (hoặc kết hợp diesel - điện), và động cơ chạy bằng năng lượng hạt nhân.
Động cơ điện giúp tàu ngầm hành trình trong lòng biển trong thời gian lâu hơn và không thải ra khí độc như động cơ dùng hơi nước hay xăng. Động cơ điện tương đối nhỏ nhưng hệ thống pin của nó rất lớn, nặng và cồng kềnh. Các cục pin này khi bị nước biển tràn vào sẽ thải ra khí độc do phản ứng hóa học và bản thân chúng chứa acid độc hại.
Tàu ngầm sử dụng động cơ diesel tạo hơi nước làm quay tuốc bin để sản xuất điện năng, giúp làm ấm tàu và thắp sáng. Tuy nhiên động cơ diesel đốt không khí và thải khí độc nên người ta thường kết hợp với động cơ điện trên tàu ngầm.
Tàu ngầm hạt nhân sử dụng động cơ chạy bằng năng lượng hạt nhân nên không cần cung cấp không khí và có thể lặn vô thời hạn, chỉ nổi lên khi cần tiếp tế nhu yếu phẩm.
Khả năng cứu hộ cứu nạn
Ngoài các quy tắc vận hành, tàu ngầm cũng cần đảm bảo các yếu tố khác khi lặn gồm hỗ trợ sinh tồn trong tàu ngầm (không khí, nhiệt độ, nước sạch), cung cấp điện năng và định hướng.
Khi tàu gặp sự cố, thủy thủ tàu sẽ phát tín hiệu cầu cứu hoặc thả phao phát tín hiệu để thông báo vị trí tàu gặp nạn. Tùy mức độ nghiêm trọng, các lò phản ứng hạt nhân có thể sẽ bị ngắt và tàu chỉ còn sử dụng pin.
Khi sự cố xảy ra, thủy thủ đoàn phải đối mặt những nguy cơ chủ yếu như nước tràn vào tàu, thiếu oxy, lượng khí độc tăng cao gây nguy hiểm, và nhiệt độ giảm khi pin hệ thống sưởi ấm tàu không hoạt động. Lúc này các nỗ lực cứu hộ trên mặt nước cần tiến hành khẩn trương, thường là trong vòng 48 giờ sau sự cố.